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RÉSUMÉ
Les plans focaux sont les techniques de caractérisation des détecteurs infrarouges matriciels. A ce jour, différentes filières de détection (thermique ou quantique) s'offrent au concepteur de systèmes infrarouges. Cet article s'efforce d'apporter une aide dans le choix des différents composants du marché. L'évaluation des performances électro-optiques de ces détecteurs est nécessaire et permet de renseigner un modèle capteur. Les techniques de caractérisations électro-optiques des plans focaux infrarouges sont ensuite largement exposées (matériel, détermination du point de fonctionnement, mesure de la réponse spatiale...).
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Focal planes are characterization techniques for IR focal plane array sensors. At this time, various detection means (thermal or quantum) are available for designers of infrared systems. The aim of this article is to assist in the choice of the various components placed on the market. The assessment of the electro-optical performances of these sensors is necessary and allows for providing information on a sensor model. The electro-optical characterization techniques of IR focal plane sensors are then presented at large (material, determination of the operating point, measurement of the spatial response, etc.).
Auteur(s)
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Nicolas GUÉRINEAU : Ingénieur Supoptique, docteur en physique - Chercheur à l’ONERA
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Riad HAIDAR : Ingénieur Supoptique, docteur en physique - Chercheur à l’ONERA
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Sylvie BERNHARDT : Ingénieur Supoptique, docteur en physique - Chercheur à l’ONERA
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Isabelle RIBET-MOHAMED : Ingénieur Supoptique, docteur en physique - Chercheur à l’ONERA
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Marcel CAES : Docteur en physique - Chercheur à l’ONERA
INTRODUCTION
Dans ce dossier sont traitées des techniques de caractérisation des détecteurs infrarouges matriciels, appelés plans focaux infrarouges. Durant la dernière décennie, les technologies de ces détecteurs infrarouges n’ont cessé de progresser et atteignent aujourd’hui une maturité industrielle qui permet la production de grands formats (320 × 240 pixels, 640 × 512 pixels) à des coûts de plus en plus accessibles. Aujourd’hui, différentes filières de détection (thermique ou quantique) s’offrent au concepteur de systèmes infrarouges.
Dans la première partie de ce dossier, s’adressant en priorité à l’ingénieur qui doit concevoir un système infrarouge, un état de l’art de ces technologies est présenté. Pour une application donnée, le concepteur doit effectuer un choix entre différents composants du marché. Pour cela, une évaluation des performances électro-optiques de ces détecteurs est nécessaire. Pour cette phase d’évaluation, on peut se contenter de données commerciales ou publiées des constructeurs. Mais un travail de compilation de ces informations est alors indispensable pour comparer les performances des différents candidats face aux niveaux de performances requis par l’application. On verra que cette phase de compilation consiste à renseigner un « modèle capteur ». Une fois alimenté, ce modèle permet de prédire les performances du capteur pour des conditions d’utilisation imposées (niveaux de flux, temps d’intégration, bande spectrale, etc.). On présente le modèle capteur des principales filières de détection (thermiques ou quantiques).
La deuxième partie est dédiée à l’exposé des techniques de caractérisations électro-optiques des plans focaux infrarouges et s’adresse à tout expérimentateur, qu’il soit utilisateur, expert ou technologue. Pour l’utilisateur, la phase de caractérisation permet de recaler le modèle capteur par quelques points de test, afin de vérifier le bon fonctionnement du capteur et les performances annoncées par le constructeur.
Pour l’expert, les caractérisations électro-optiques constituent un poste lourd qui nécessite l’établissement de protocoles de mesures, l’acquisition de bancs de test étalonnés, le développement d’électroniques dédiées aux mesures et le traitement de données expérimentales volumineuses. En effet, un plan focal infrarouge échantillonne une scène suivant plusieurs dimensions (spatiale, radiométrique, temporelle et spectrale) avec des résolutions associées qu’il faut évaluer et ce pour des conditions d’utilisation qui changent avec l’application. Pour le technologue, l’enjeu est de développer des prototypes de détecteurs complexes aux performances extrêmes (matrices mégapixels, multispectrales,...). Dans ce cas, des caractérisations fines sont très utiles et permettent de restituer des paramètres technologiques à partir du composant final.
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1. Détecteurs plans focaux infrarouges
1.1 Généralités sur les détecteurs IR
Le rayonnement infrarouge couvre un large domaine de longueurs d’onde reliant la borne haute du domaine visible (0,8 µm) au domaine des ondes millimétriques.
On limitera l’exposé aux détecteurs infrarouges sensibles dans des gammes de longueurs d’onde appartenant au domaine [0,8 à 12 µm], domaine pouvant être décomposé en trois domaines principaux correspondant aux trois fenêtres de transmission de l’atmosphère : le SWIR (0,8 à 2,5 µm), le MWIR (3 à 5 µm) et le LWIR (8 à 12 µm).
Au-delà de 12 µm, on peut mentionner le VLWIR (12 à 15 µm, voire au-delà), qui peut avoir un intérêt pour les applications spatiales.
HAUT DE PAGE1.1.1 Principales applications
La détection infrarouge est utilisée dans un large spectre d’applications que l’on regroupe en deux domaines principaux :
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la thermographie infrarouge : ce domaine regroupe toutes les applications utilisant une caméra thermique dans le but de produire une cartographie de rayonnements produits par une scène. Pour un panorama de ces applications consulter [1]Thermographie. Principes et mesure. [2]Thermographie. Technologies et applications. ;
-
la télédétection : ce domaine regroupe toutes les applications militaires ou civiles utilisant un capteur (imageur et/ou spectromètre) sensible dans le domaine infrarouge et permettant d’extraire de l’information sur la...
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Détecteurs plans focaux infrarouges
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - PAJANI (D.) - Thermographie. Principes et mesure. - Techniques de l’Ingénieur R 2 740 Mesures physiques, sept. 2001.
-
(2) - PAJANI (D.), AUDAIRE (L.) - Thermographie. Technologies et applications. - Techniques de l’Ingénieur R 2 741 Mesures physiques, sept. 2001.
-
(3) - * - Dossier Vision IR : du composant à l’image. Comptes-Rendus Académie des Sciences, Physique, Tome 4 déc. 2003.
-
(4) - GAUSSORGUES (G.) - Détecteurs infrarouges. - Techniques de l’Ingénieur E 4 060. Électronique, sept. 1996.
-
(5) - AUDAIRE (L.) - Détecteurs de rayonnement optiques. - Techniques de l’Ingénieur Mesures mécaniques et dimensionnelles, déc. 2000.
-
(6) - TISSOT (J.-L.) - * - Opto-electronics review, 12(1),...
NORMES
-
Thermographie infrarouge. Vocabulaire relatif à la caractérisation de l’appareillage. Décembre 1991. - NF A 09-400 -
-
Thermographie infrarouge. Caractérisation de l’appareillage. Avril 1993. - NF A 09-420 -
-
Thermographie infrarouge. Méthodes de caractérisation de l’appareillage. Décembre 1994. - NF A 09-421 -
-
Vocabulaire international des termes fondamentaux et généraux de métrologie. Décembre 1994. - NF X 07-001 -
-
Grandeurs et unités. Rayonnements électromagnétiques et optiques. Décembre 1993. - NF X 02-206 -
ANNEXES
1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs
(liste non exhaustive)
HAUT DE PAGE1.1 Constructeurs français de plans focaux IR
HAUT DE PAGE
Filière MCT et µbolo : CEA/LETI Grenoble https://www.leti-cea.fr/cea-tech/leti
Filière multipuits quantiques : Thales R&T France http://www.research.thalesgroup.com/optic_and_optronic_solutions/infrared_detection.htm
HAUT DE PAGE1.3 Fournisseurs de matériel de caractérisation
1.3.1 Corps noirs, collimateurs, spectromètres
Bruker Optics...
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